05 Rubczynski - Infrastruktura Energetyczna

VI Forum Operatorów Systemów i Odbiorców Energii i Paliw „Bezpieczeństwo energetyczne
a nowe kierunki wytwarzania i wykorzystania energii w Warszawie”
Juliusz Jankowski
Andrzej Rubczyński
Vattenfall Heat Poland S.A.
Optymalizacja wykorzystania warszawskiego rynku ciepła do produkcji energii
elektrycznej
Wstęp
Wraz z postępującym rozwojem cywilizacyjnym coraz większym wyzwaniem dla metropolii
takich jak Warszawa staje się pogodzenie wymogu zapewnienie bezpieczeństwa
energetycznego z oczekiwaniami społecznymi w zakresie wypełniania norm
zrównoważonego rozwoju.
Oczekiwania te płyną nie tylko ze strony mieszkańców konkretnej metropolii, ale także ze
strony mieszkańców innych regionów oczekujących od zamożnych wielkich miast przyjęcia
na siebie większej odpowiedzialności za ochronę tak zasobów energetycznych jak i
środowiska naturalnego.
Mimo zbliżonych wyzwań i podobnych ambicji nie istnieje jednak jedna i uniwersalna droga
rozwoju, a każda metropolia musi wybierać inny, najlepiej dopasowany zestaw środków dla
optymalnego zaspokojenia swoich potrzeb energetycznych.
Indywidualizacja rozwiązań wynikać może zarówno z przyjętej polityki w zakresie
zrównoważonego rozwoju jak i realnych możliwości wynikających tak z warunków
naturalnych jak i będącego do dyspozycji potencjału technologicznego.
Wykorzystanie geotermii, paneli słonecznych, ogniw fotowoltaicznych czy kogeneracji to
dalece jeszcze niepełna paleta środków, z której w każdym wypadku należy wybrać najlepszy
zestaw rozwiązań dopasowany do lokalnych potrzeb i uwarunkowań.
Warszawa kogeneracją stoi
Podobnie jak w innych metropoliach konieczność wyboru najbardziej efektywnej drogi
realizacji celów zrównoważonego rozwoju stoi zarówno przed władzami Warszawy jak też
przed operującymi na jej terenie przedsiębiorstwami energetycznymi. Te ostatnie działając w
formule rynku konkurencyjnego muszą w swoich planach strategicznych uwzględniać
ambicje i potrzeby swoich klientów. Dotyczy to zarówno szeroko rozumianego
bezpieczeństwa dostaw energii jak też wymogów w zakresie konieczność zapewnienia
bezpieczeństwa środowiskowego.
W przypadku energetyki warszawskiej trudno, ze względu na warunki naturalne, myśleć o
szerszym wykorzystaniu takich źródeł ekologicznej i niskoemisyjnej energii jak geotermia
czy ogniwa fotowoltaiczne. Jednocześnie jednak energetyka warszawska posiada jeden
niezaprzeczalny walor, który pozwala miastu skutecznie realizować swoje ambicje w zakresie
promowania i dostarczania rozwiązań pozwalających na oszczędne gospodarowanie energią i
środowiskiem naturalnym i w tym zakresie skutecznie współzawodniczyć z innymi wielkimi
miastami europejskimi.
-1-
Tym atutem jest oparcie dostaw ciepła na scentralizowanym układzie ciepłowniczym
zasilanym przez wysokosprawne jednostki kogeneracyjne. Mimo, że cała koncepcja
warszawskiego systemu pochodzi jeszcze z zamierzchłych czasów centralnego planowania to
jednak przez przypadek, a może jednak także z powodu ambicji niegdysiejszych planistów i
inżynierów obecny układ warszawskiego ciepłownictwa daje ogromne możliwości realizacji
najbardziej ambitnych planów w zakresie rozwoju ekologicznej energetyki.
Wysokosprawna kogeneracja zapewniając miastu, obok dostaw ciepła także duży lokalny
wolumen energii elektrycznej staje się także najważniejszym elementem systemu zapewnienia
wysokiego poziomu bezpieczeństwa energetycznego.
Mimo, że początki pracy zainstalowanych w Warszawie jednostek wytwórczych sięgają lat 50
ubiegłego wieku to jednak podejmowane obecnie przez właściciela zakładów Vattenfall Heat
Poland S.A. ( VHP) działania remontowe i modernizacyjne zapewniają istniejącemu parkowi
maszynowemu niezbędną dyspozycyjność i niski stopień awaryjności.
Rozpoczęty jeszcze przed rokiem 2000 program modernizacyjny doprowadził już dziś
zarówno do częściowej wymiany najstarszych jednostek kotłowych jak i turbozespołów.
W oparciu o dokonane wcześniej modernizacje rozpoczęty obecnie w VHP i bazujący na
środkach finansowych uzyskiwanych w głównej mierze z poprawy własnej efektywności i
obniżki kosztów, program inwestycyjny tworzyć będzie nowe ramy technologiczne dla
funkcjonowania energetyki warszawskiej.
Planowana wysokosprawna jednostka węglowa w Elektrociepłowni Siekierki jak też nowa
jednostka produkcyjna wykorzystująca paliwo gazowego w Elektrociepłowni Żerań pozwolą
zapewnić bezpieczne dostawy ekologicznej energii elektrycznej i cieplnej na najbliższe
kilkadziesiąt lat.
Akumulacja ciepła w
m.s.c
+ 50 MWe
Akumulator
EC Żerań
+ 250 MWe
ZUSOK 2
???
C Kawęczyn
C Wola
EC Pruszków
EC Siekierki
ZUSOK 1
+70 MWe
+20 MWe
+400 MWe
„+” - przyrost netto zakładu
Rys nr1. Nowe możliwości zwiększenia wytwarzania energii w aglomeracji warszawskiej
Nowe wyzwania, nowe możliwości
-2-
Mimo, że możliwości, jakie stwarza dla Warszawy istnienie rozbudowanego układu
ciepłowniczego bazującego na wysokosprawnej kogeneracji są bardzo duże, to jednak tak
przed władzami miasta jak i przedsiębiorstwami energetycznymi wciąż pojawiają się nowe
wyzwania tak w zakresie bezpieczeństwa jak i jakości dostaw energii.
Wieloletni wzrost lokalnego zapotrzebowania na energię elektryczną przewyższający średnią
krajową, a w szczególności duże zapotrzebowanie na energię elektryczną w sezonie letnim
powodują, że mimo dotychczasowych prac modernizacyjnych równowaga energetyczna
miasta staje się z roku na rok coraz bardziej zagrożona.
Intensywne prace inwestycyjne prowadzone zarówno przez operatora systemu przesyłowego
jak i lokalnego dystrybutora energii służą poprawie poziomu bezpieczeństwa dostaw, ale i tak
staje się on w coraz większym stopniu uzależniony od możliwości generacji lokalnej w
jednostkach Vattenfall Heat Poland S.A..
Dla zapewnienia tej generacji niezbędna jest ciągła modernizacja posiadanych jednostek
wytwórczych, a także budowa wysokosprawnych nowych mocy. Wybrane przez Vattenfall
Heat Poland S.A. technologie nowych jednostek oparte o układy upustowo-kondensacyjne
biorą pod uwagę pojawiające się wyzwania w zakresie zapewnienia bezpieczeństwa dostaw
energii.
Przy wzrastających silnie w ostatnich latach potrzebach w zakresie dostaw energii
elektrycznej dla Warszawy zachowanie lokalnego rynku scentralizowanej energii cieplnej
podlegało zupełnie przeciwnym zmianom.
Podjęte w ciągu ostatnich kilkunastu lat prace w zakresie termomodernizacji warszawskich
budynków spowodowały znaczne ograniczenie zapotrzebowania na energię cieplną. O ile
wynikający z tego efekt w postaci zmniejszenia zużycia paliw w elektrociepłowniach i
możliwości redukcji mocy zainstalowanych w kotłach wodnych należy uznać za objaw
pozytywny to jednak nie można nie zauważyć, że zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło
użytkowe skutkuje także mniejszą możliwością produkcji energii elektrycznej w kogeneracji.
Roczna produkcja* i zużycie energii
Zapotrzebowanie i podaż* mocy szczytowej
*bez planowanych inwestycji VHP
Rys nr 2. Prognoza bilansu elektroenergetycznego Warszawy (bez nowych inwestycji)
Biorąc pod uwagę wyniki prowadzonych obecnie analiz także w przyszłości możemy
spodziewać się dalszego zmniejszenia potrzeb ciepłowniczych w ramach istniejącego systemu
ze względu fakt, że prace termomodernizacyjne na terenie miasta są nadal prowadzone.
-3-
Dlatego też należy nadać najwyższy priorytet działaniom związanym z przyłączaniem
nowych obiektów do miejskiej sieci ciepłowniczej w celu skompensowania ubytków
zamawianej mocy cieplnej prowadzących do zmniejszenia produkcji energii elektrycznej w
kogeneracji.
O ile trudno podważyć zasadność oszczędzania energii to jednak towarzyszące temu efekty
negatywne (zmniejszenie produkcji energii elektrycznej w kogeneracji) powinny nas
dopingować do poszukiwania jeszcze lepszych niż dzisiaj sposobów zaspokajania potrzeb
energetycznych Warszawy.
Przy wysokim tempie rozwoju tak budownictwa mieszkaniowego jak i budynków
usługowych ostatnie lata charakteryzowały się zbyt niskim wykorzystaniem potencjału
ogrzewania wynikającego z istniejącego systemu ciepłowniczego. Nawet na terenach, gdzie
sieć cieplna była dostępna w wielu przypadkach powstawały budynki o systemach
ogrzewania opartych na rozwiązaniach lokalne nie dających możliwości optymalnego
zaspokajania wszystkich potrzeb energetycznych miasta.
Niezależnie od przesłanek, które kierowały inwestorami przy wyborze technologii
ogrzewania i niezależnie też od wysokiej sprawności cieplnej nowo instalowanych kotłów
gazowych, rozwiązania lokalne prowadziły wprost do marnowania potencjału
wysokosprawnej kogeneracji na terenie Warszawy prowadząc jednocześnie do zwiększania
potrzeby produkcji energii elektrycznej w odległych od Warszawy elektrowniach
kondensacyjnych.
Wydaje się, że obecnie przyszedł najwyższy czas, żeby zwracając baczniejszą niż dotąd
uwagę na aspekty ekologiczne związane z produkcja energii, podjąć na terenie Warszawy
działania mogące odwrócić ten niekorzystny trend.
420 MWt
660 MWt
Prognozowany wzrost
rynku ciepła aglomeracji warszawskiej
wynosi
1080 MWt
Rys nr 3. Potencjał rynku ciepła Warszawy ( w obrębie i poza obrębem m.s.c.)
W Warszawie w dalszym ciągu w bezpośrednim lub pośrednim zasięgu miejskiego systemu
ciepłowniczego znajduje się wiele terenów, na których w najbliższych latach powstaną nowe
budynki mieszkaniowe i usługowe. Biorąc pod uwagę zarówno aspekty ekologiczne jak i
konieczność zapewnienia bezpieczeństwa dostaw energii w pełni uzasadnionym wydaje się
przekonanie, że wymogiem wobec tych inwestycji powinno być wykorzystanie dla celów
grzewczych ciepła sieciowego.
-4-
Przy zapewnieniu wyższego poziomu bezpieczeństwa energetycznego i redukcji negatywnego
oddziaływania na środowisko wprowadzenie takiego warunku, wynikającego ze
strategicznych uwarunkowań rozwoju miasta nie musi wcale być w sprzeczności ze regułami
konkurencji i wymogami gospodarki rynkowej.
Wymóg stosowania ekologicznie korzystnych technologii kogeneracyjnych pozostawia
całkiem duże pole dla konkurencji w zakresie wykorzystania różnych rodzajów paliw.
Stosowane dziś w Elektrociepłowni Żerań, jak i uruchamiane w najbliższym czasie w
Elektrociepłowni Siekierki współspalanie biomasy spowoduje znaczną redukcję emisji CO2 i
innych zanieczyszczeń kierowanych do atmosfery. Planowane w przyszłości wybudowanie
jednostki gazowej pozwoli dodatkowo obniżyć emisje i zmniejszyć uciążliwość produkcji
energii dla mieszkańców Warszawy.
Dodatkowo, w przyszłości wykorzystanie dużych jednostek kogeneracyjnych daje także
szanse na efektywną dalszą redukcję emisji gazów cieplarnianych poprzez wykorzystanie
technologii CCS. Vattenfall Heat Poland S.A. planuje, że realizacja pełnego programu
inwestycyjnego, w tym rozszerzenie gamy wykorzystywanych paliw i wdrożenie CCS może
doprowadzić do 60% jednostkowej redukcji emisji CO2 do atmosfery już w roku 2020.
Struktura paliw do produkcji energii elektrycznej w Warszawie
100%
gaz
węgiel
biomasa
odpady
komunalne
0%
2009
2020
Rys nr 4. Struktura paliw w wyniku realizacji programu inwestycji w obszarze m.s.c.
Ale nie tylko inwestycje …
Inwestycje w nowe moce wytwórcze nie powinny być traktowane, jako jedyny sposób na
sprostanie nadchodzącym wyzwaniom.
Pamiętajmy, iż w istniejących urządzeniach i układach technologicznych drzemią jeszcze
rezerwy, których uruchomienie może wspomóc realizację ambicji Warszawy w zakresie
energetyki.
Warszawski System Ciepłowniczy jest jednym z najbardziej rozległych i skomplikowanych w
Europie i na świecie. Z jednej strony stawia to przed operatorami szczególne wyzwania w
zakresie prowadzenia jego eksploatacji i planowania rozwoju. Z drugiej jednak strony daje
niezrównane możliwości wykorzystania synergii pomiędzy poszczególnymi elementami
systemu i uzyskania efektów ekonomicznych wynikających z optymalizacji.
Jednym z podstawowych warunków niezbędnych dla uzyskania pozytywnych efektów jest
współdziałanie pomiędzy wytwórcą energii cieplnej Vattenfall Heat Poland S.A. i jego
dystrybutorem SPEC S.A..
-5-
Dotychczasowa dobra współpraca zaowocowała w obszarze technologicznym m.in.
praktycznym wdrożeniem elastycznego określania obszarów zasilanych z poszczególnych
źródeł. Mimo, że wiąże się to z pewnym skomplikowaniem działania służb dystrybutora
ciepła, to jednak możliwość szerszego wykorzystywania do produkcji ciepła urządzeń o
wyższej sprawności i pracujących w kogeneracji stała się podstawą do obniżenia kosztów
produkcji w źródłach ciepła. Daje to w efekcie możliwość utrzymywania niższych cen ciepła
dla mieszkańców Warszawy.
Także w wyniku wykorzystania kompetencji dystrybutora ciepła i jego współpracy z VHP
możliwe było zaproponowanie programu inwestycyjnego wytwórcy, który przy planowaniu
likwidacji starych i budowy nowych jednostek lepiej uwzględnił możliwości, jakie daje
elastyczne wykorzystanie sieci cieplnej.
Wraz z rozwojem konkurencyjnego rynku pojawiły się przed wytwórcami energii
elektrycznej nowe możliwości zwiększania przychodów z jej sprzedaży w wyniku
wykorzystywania dobowych różnic cen energii. O ile ta możliwość, w przypadku elektrowni
kondensacyjnych jest tylko pochodną jej własnych zdolności w zakresie planowania
dostępnych mocy wytwórczych to w przypadku elektrociepłowni możliwość wykorzystania
korzystnych zmian cen energii elektrycznej jest znacznie bardziej uzależniona od sposobu
pracy sytemu ciepłowniczego. W warunkach warszawskiego systemu ciepłowniczego fakt
występowania maksymalnych potrzeb ciepłowniczych w porze nocnej, przy maksymalnych
cenach energii elektrycznej w ciągu dnia powoduje utratę istotnych korzyści możliwych do
osiągnięcia na rynku energii elektrycznej
Starając się ominąć to ograniczenie Vattenfall Heat Poland S.A. uruchomił w tym roku
pierwszy tej wielkości w Polsce akumulator ciepła dający możliwość lepszego dopasowania
dobowego profilu produkcji do profilu cen na rynku energii.
Zabudowany na terenie EC Siekierki wielki zbiornik o pojemności 30 000 m3 pozwala na
gromadzenie gorącej wody wyprodukowanej w trakcie dziennego szczytu energetycznego i
wykorzystanie jej dla potrzeb ciepłowniczych w okresie zwiększonego zapotrzebowania na
ciepło w okresie nocnym. Oprócz dodatkowych przychodów pochodzących ze sprzedaży
większej ilości energii elektrycznej po wyższych cenach stosowanie akumulatora ciepła
pozwala na ograniczenie w sezonie grzewczym pracy jednostek szczytowych redukując
koszty wynikające m.in. z ich częstych i krótkotrwałych uruchomień.
Mimo, że akumulator w Elektrociepłowni Siekierki jest największym tego typu urządzeniem
w Polsce i niewiele pod względem wielkości ustępuje największym urządzeniom tego typu w
innych krajach to jednak, biorąc pod uwagę wielkość warszawskiego systemu ciepłowniczego
nie pozwala on w pełni uniezależnić produkcje energii elektrycznej od obciążenia cieplnego.
Rozwiązaniem, które pozwoliłoby uzupełnić jego możliwości mogłoby być wykorzystanie
akumulacji ciepła w wodzie krążącej w miejskiej sieci ciepłowniczej. Biorąc pod uwagę
ogromne ilości wody w warszawskim systemie ciepłowniczym zasadnym rozwiązaniem może
być takie planowanie pracy sieci w zakresie temperatur wody zasilającej, żeby nie
pogarszając komfortu cieplnego odbiorców umożliwić wytwórcy zwiększenie produkcji
kogeneracyjnej w okresie dnia. Oczywiście zmiana grafiku temperatur musi być
przemyślana, oparta na rozwiniętym prognozowaniu zapotrzebowania na ciepło wynikającego
z warunków atmosferycznych. Zmiany grafiku temperatur będą też skutkowały zmianami w
innym parametrach pracy takich jak ciśnienia i przepływy wody.
Wszystkie te operacje nie są proste i wymagają dobrze skoordynowanych prac tak po stronie
wytwórcy jak i dystrybutora ciepła.
W oparciu o wcześniej wykonane analizy Vattenfall prowadzi już obecnie działania nad
wykorzystaniem możliwości akumulowania ciepła w sieci w układzie ciepłowniczym w
Nykoping, gdzie, jako właściciel zarówno źródła ciepła jak i sieci, ma duże możliwości
prowadzenia optymalizacji całego systemu.
-6-
Możliwość wykorzystania synergii pomiędzy produkcją i dystrybucją ciepła mogą dotyczyć
nie tylko sfery eksploatacyjnej, ale przenosić się także na obszar inwestycji.
Efektywny wybór pomiędzy inwestycjami realizowanymi po stronie wytwarzania i tymi,
które są prowadzone po stronie dystrybucji ciepła daje znaczące możliwości obniżki kosztów
dla konsumentów ciepła sieciowego. Na podstawie doświadczeń Vattenfall i analizy pracy
systemów ciepłowniczych w innych krajach można potwierdzić, że w oparciu o lokalne
warunki istnieje wiele możliwości wyboru tak np. w zakresie sposobu zapewnienia
odpowiednich ciśnień w sieci ciepłowniczej jak też, sposobu pokrywania zapotrzebowania
szczytowego.
Nowe możliwości współpracy pomiędzy jednostkami wytwórczymi i systemem sieciowym
muszą być rozważane wraz z rozwojem nowych technologii ciepłowniczych takich jak
wykorzystanie paneli słonecznych, geotermii, czy pomp ciepła.
Przemyślane wykorzystanie tych technologii w wybranych fragmentach systemu może
spowodować obniżkę kosztów jego funkcjonowania przynosząc korzyści mieszkańcom
Warszawy. W każdym jednak przypadku masowe wdrożenie nowej technologii powinno być
poprzedzone analizami ich wpływu na efektywność i bezpieczeństwo dostaw wszystkich
nośników energii niezbędnych dla funkcjonowania miasta.
Chociaż wydaje się, że technologie scentralizowanego ciepłownictwa rozwijane od
kilkudziesięciu lat są sprawdzone i dobrze opanowane to jednak nowe uwarunkowania
wynikające z wymogów środowiskowych, czy wdrażania rozwiązań rynku konkurencyjnego
w obszarze energii elektrycznej spowodowały powstanie nowych wyzwań i możliwości
technologicznych.
Obniżka kosztów funkcjonowania systemu, czy integrowanie nowych technologii generacji
rozproszonej stawia przed inżynierami nowe zadania wymagające przeprowadzenia zarówno
prac badawczych jak i wdrożeniowych.
W tym przypadku wybrane kierunki działań optymalizacyjnych w zakresie technologii będą
zawsze pochodną przyjętych kryteriów oceny.
Jeśli za priorytet przyjmiemy bezwzględną redukcji emisji gazów cieplarnianych to np.
rozwój wykorzystania paneli słonecznych wydaje się dobrym rozwiązaniem. Jednak przy jego
wdrażaniu w konkretnym systemie, np. w Warszawie musimy liczyć się z konsekwencjami
obniżenia lokalnego bezpieczeństwa elektroenergetycznego poprzez redukcję możliwości
produkcji kogeneracyjnej w istniejących źródłach. W obecnych warunkach zwiększenie
produkcji „zielonego ciepła” może paradoksalnie prowadzić do zwiększenia emisji gazów
cieplarnianych. Stanie się tak jeśli, przy niedostatku produkcji kogeneracyjnej, dla
zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa elektroenergetycznego, Operator
Systemu Przesyłowego będzie zmuszony wymuszać większą produkcję energii w kondesacji.
Jeśli z kolei priorytetem stałaby się minimalizacja kosztów dostaw energii dla mieszkańców,
przy zachowaniu wysokich standardów ochrony środowiska, to bezwzględne pierwszeństwo
uzyska wykorzystanie technologii wysokosprawnej kogeneracji.
W przypadku tak dużej aglomeracji jak Warszawa, posiadającej rozbudowany i
możliwy do dalszego rozwijania system ciepłowniczy dodatkowym atutem będzie w tym
przypadku możliwość wykorzystania najtańszych technologii bazujących na dużych
jednostkach wytwórczych. Takie właśnie urządzenia, o najniższych kosztach wytwarzania,
już dziś są umieszczane w planach rozwojowych Vattenfall Heat Poland S.A..
Podsumowanie
Dążąc do zapewnienia bezpiecznych dostaw ekologicznej energii dla swoich potrzeb
Warszawa dysponuje niepodważalnym atutem w postaci wielkiego systemu ciepłowniczego i
-7-
zasilających go źródeł kogeneracyjnych. Obecnie w dobie poszukiwania oszczędności
energetycznych i rozwiązań obniżających niekorzystny wpływ energetyki na środowisko
system ten daje nadal wielkie możliwości poprawy swojej efektywności. W tym zakresie
istnieje wiele możliwości wykorzystywania nowych, bardziej ekologicznych paliw w
dotychczasowych źródłach energii. System pozwala też na integrowanie nowych technologii
wytwarzania, w tym technologii opartych na odnawialnych źródłach energii.
W celu najlepszego wykorzystania możliwości, jakie dają nowe technologie niezbędne jest
przy ich wprowadzaniu uwzględnienie skutków, jakie będą wywierały na pracę całego
systemu.
W praktyce przeprowadzenie optymalizacji systemu będzie możliwe w przypadku pełnego
zaangażowania do tych prac operatorów wszystkich podsystemów energetycznych na terenie
Warszawy.
W celu zapewnienia wykorzystania atutu, jakim jest możliwość wykorzystania kogeneracji,
oprócz intensywnych prac w zakresie technologii i analiz ekonomicznych konieczne jest
tworzenie efektywnych ram prawnych dla współpracy wszystkich podmiotów energetycznych
działających na terenie miasta.
Ważne jest, aby przy ich tworzeniu wszystkie podejmowane w tym obszarze decyzje oparte
były na dążeniu do najlepszego zaspokojenia potrzeb odbiorców energii.
W kontekście tak sformułowanego wyzwania Vattenfall Heat Poland S.A, bazując na swoim
wieloletnim doświadczeniu zdobytym w Warszawie, ale także wykorzystując wiedzę
pochodząca z obsługi systemów energetycznych innych dużych aglomeracji takich jak Berlin,
czy Hamburg jest gotów, tak jak do tej pory, do pełnej i otwartej współpracy ze wszystkimi
lokalnymi partnerami w celu wdrażania najlepszej praktyki energetycznej z korzyścią dla
mieszkańców Warszawy.
-8-